基于“做中学”理念的云降水物理学实践教学改革研究

2014-03-26华兴夏陈爱军

实验技术与管理 2014年7期

王静，朱彬，华兴夏，银燕，杨军，陈爱军

(南京信息工程大学大气科学与环境气象实验教学中心，江苏南京 210044)

云降水物理学是大气科学中最为重要的分支学科之一，具有很强的实践性。该门课程是南京信息工程大学大气科学本科专业的核心课程，特色在于理论教学与实践教学并重，实践教学在课程教学中具有不可替代的作用。2007年“云降水物理学”被列入中国气象局与南京信息工程大学局校共建精品课程项目；2008年“云降水物理学”获江苏省精品课程；2011年正式出版普通高等教育“十一五”国家级规划教材——云降水物理学。在2012年国务院学位办学科评估中，南京信息工程大学大气科学专业排名全国第一。

1 人才培养目标

利用优势学科建设加强实验课程建设与改革，对培养学生创造性的思维方式、理论联系实际的作风、严谨求实的科学态度和独立动手的工作能力都具有重要的作用[1]。传统的本科教学课程的实践教学环节相对薄弱，单一化、灌输性的实验教学模式很难调动学生的积极性和发挥创造性。因此，亟需研究和探讨该课程实践教学环节的改革，培养学生掌握和利用新技术处理实际问题的能力，以适应21世纪气象科学发展和人才培养的要求[2]。基于以上原因，我们以学科为依托，以改革创新为核心，推进了学科建设与人才培养相结合、教学与科研相结合，提出了以杜威(John Dewey)的“做中学”(learning by doing)理念[3]为指导的新的教学方法和模式，改革了现有的教学内容和方法，在2008—2012级本科生教学中进行试点，取得了显著的课堂教学成效。

2 “做中学”理念的内涵

“做中学”是美国著名哲学家、教育学家和心理学家杜威提出的一种学习方法，同时也是联合国教科文组织产学合作教席提出的实践教育改革的三大战略之一[4]。杜威以“教育即生活”、“教育即生长”、“教育即经验的改造”为依据，对知与行的关系进行了论述，提出了“做中学”理论，其实质就是要加强学生实际操作能力、探究和解决问题能力、从事和适应实际工作能力的培养。他主张学生亲历探究过程，建立与真实世界的关系，实现学生从一个被动的观察者到一个积极的实践者的转化，学生通过自己的活动逐步形成对世界的认识，充分体现学与做的结合。

杜威认为人类获得解决问题的探究能力才是最重要的，而这种能力的培养应该通过科学方法的训练来获得。同时他认为教学活动的要素与科学思维的要素应当相同。并由此提出了相应的“思维五步”或“问题五步”教学[5]方法(见图1)：第一，学生要有一个真实的实验情境，要有一个对活动本身感兴趣的连续的活动，即要有一个能实现“做”的情境；第二，在这个情境内部产生一个真实的问题，并作为思维的刺激物，即要有一个可“做”的内容；第三，学生要占有知识资料，从事必要的观察以对付这个问题，即要有一个实现“做”的必要支撑；第四，学生必须一步一步地展开他所想出的解决问题的方法，即要有一个完整的“做”的过程；第五，他要有机会通过实践来检验他的想法，使这些想法意义明确，并且自己去发现它们是否有效，即有一个针对“做”的结果的检验(见图1)。这里的“五步”教学法表面上看完全是一个学生“做”的过程，但在“做”的过程中却是对“学”的积累。

图1 “思维五步”教学法示意图

3 教学模式改革

研究云降水物理从认识论的角度可划分为3个层次、5类方法：(1)感性认识，即观测或探测方法；(2)理性认识，即理化实验方法、理化模拟方法和数值模拟方法；(3)自然过程人为干扰，即人工影响天气方法[6]。按照我校“厚基础、强实践、重创新”人才培养的要求[7]，从人才培养体系出发，以培养学生实践能力和创新能力为核心，初步建立了以“做中学”为理念的探究式学习模式，教学模式的改革遵循学生实践知识和能力提升的培养规律，将课程实践教学分为认知、求证、应用、探究4个层次，培养了相应的实践知识和能力。“认知”主要加强学生基本实践理论知识和技能的掌握；“求证”强化学生对专业知识的综合理解和操作；“应用”着重锻炼学生实际的业务技能；“探究”激发学生自主学习新技术和新手段的兴趣，拓展学生实践创新能力。

针对云降水物理与人工影响天气业务的发展需要和学生知识能力素质的培养过程，在借鉴案例教学、渐进式教学、互动式教学、启发式教学等方法的基础上，创立了特色的实验教学方法，即实训教学法和科研教学双向融合法。

3.1 实训教学法

依托南京信息工程大学国家级实验教学示范中心——大气科学与环境气象实验教学中心和中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室，以及校外实践基地，从云降水物理室内实验、外场试验、分析处理、模拟研究、科研应用等一整套的实训平台，让学生在外场自然环境和室内模拟环境中感受到了云降水微观物理过程的变化，做到紧密结合理论课程教学开展了实验教学。

3.2 科研与教学双向融合法

科研可以驱动实践教学，促进教学水平的提升，同时，实践教学中发现的新问题、收集的新资料也可以反哺科研，促进科研水平的提升[8]。在实践教学中高度重视科研与教学双向融合，设立了专门的开放实验室和开放实验项目，鼓励教师和部分学生开展开放性实验，促进了科研与教学的双向融合。

4 教学环节改革与创新

在实践教学环节中结合云降水物理学课程中讲述的内容[9]，通过安排对应的实验项目，加深对云与降水形成宏观、微观物理过程的理解。实践教学内容的更新使沿袭多年的传统实验方法、仪器以及单一陈旧的教材得到改进、补充。坚持“厚基础、强实践、重创新”原则，实现了新的实验方法与传统的、经典的方法有机的结合。

4.1 理论性与应用性的统一

在多年的实践教学过程中，实验和实习重在强化理论、巩固基础[10]。根据“做中学”理念，首先要有一个可“做”的内容，设置具有层次性、渐进性、可操作性的实践教学内容，即与理论教学紧密联系的实验项目[11]。我们考虑设计的实验项目将云降水物理学中抽象的理论原理转化为学生通过动手可以实现的实验结果，在完整的“做”的过程中，增强学生的学习兴趣以及对理论课程内容的理解。从人才培养体系的整体出发，以培养学生实践能力和创新能力为核心，将教学实验分为基础训练实验、专业综合实验、业务培训实验和研究创新实验4个层次，将实验内容整合成基础型、专业型、业务型、创新型4个模块，构建起“四层次、四模块”实验教学体系。

4.2 认知性与探索性的统一

在认知、求证、应用、探究4个层次的基础之上，将实践教学内容分为基础训练、专业综合、业务应用、创新探究4个模块。(1)基础训练在于让学生了解、熟悉专业领域基本的实验仪器的使用、基本的实验方法和过程以及基本技能的训练，正确掌握获取实验数据和把握操作实验的能力；(2)专业综合在于让学生在实验室中综合应用所学专业知识验证基本认知得到的知识，启发学生的专业思维，培养专业素养、提高专业能力；(3)业务应用在于利用实际的业务平台使学生切身感受实际的业务流程，在初步的业务实践中进一步检验课堂知识，培养实践动手能力；(4)创新探究指在教师指导下，依据学生自身的兴趣申报大学生科技立项课题或直接参与教师的研究项目，独立完成“实验设计→探索研究→成果总结”的全过程，培养他们的科研创新能力。

4.3 创新性与可操作性的统一

在实验教学环节中以操作、使用和应用为主，采用任务驱动的实践教学形式，重点解决技术难点，激发学生主动参与创新设计[12]的兴趣。教学实践环节的开展以南京信息工程大学国家级实验教学示范中心——大气科学与环境气象实验教学中心和中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室为依托，为学生的教学实践提供国内一流的科学实验和教学实习条件。气溶胶与云降水是本实验室的优势研究方向之一，一直处于国内先进行列，拥有云降水粒子探测系统、FM-100光学雾粒谱仪、云凝结核计数器CCN、碳黑气溶胶浓度计PASS-1、光学雨滴谱仪MPS、光学雨滴谱仪PARSIVEL、单颗粒气溶胶飞行时间质谱仪、地基型气压空腔气溶胶谱仪、湿控串联差分电迁移率分析仪、毫米波测云雷达系统等国际先进的云雾降水设备，在实验教学过程中，使学生能够掌握国际上最先进的技术方法。

同时强化科教融合，将学科优势转为实践教学资源，科研成果反哺实践教学内容，开设紧跟科学前沿和贴近业务的实践项目，不断用当前最新科研成果充实教学内容，引导学生参与科学研究，自制仪器设备反哺实践教学，发挥科研对实践教学的支撑作用。实验室在科教项目支持下，自主开发实验仪器设备的比例不断提高，近3年自制研发了X波段小型测雨雷达、云室、巨盐核凝结增长观测系统、激光云自动化测量仪、雾水采集器等几十种用于实践教学实验仪器和设备，部分仪器设备已经达到国内一流水平(见表1)。在研发仪器的动手过程中，使学生的科学探索精神和创新能力有不同程度的提高，从而切实提高实践教学的效果。

表1 云降水物理实验设置实验项目一览表

5 实验教材建设

随着实验教学内容和教学模式的改革，原有的实验讲义已不能满足教学要求，在开展实验教学改革的同时，我们陆续编写了新的实验讲义。国外的经典云降水物理学教材中，有部分关于室内实验的介绍，如1983年Rogers出版的《云物理简明教程》、1979年Mason所著《云物理学》等，国内的实践教学可选的参考书有1995年南京气象学院(南京信息工程大学前身)大气物理系陈金荣等自编教材《云、降水物理实验》。由于出版年代较早，实验项目配套仪器大都缺失或严重老化，实验教材及课程设计内容亟待更新。我们在“做中学”的实验教学过程中，把握住实验改革和发展的脉搏和方向,注意汲取各优秀教材的长处,配合理论教学不断采用当前最新科研成果充实教学内容，根据实践教学需要完善实验教学大纲，改进了实验教材及指导实践教学的内容。

通过更新改进实验课题教学内容和实验项目配套仪器，对现有的《云、降水物理实验》自编教材内容进行重新修改和整理，拓展实践教学内容，增加了有启发性并能激发学生创造性思维的综合性、设计性实验，使学生能够了解本学科实验方法及仪器的国际最新前沿动态。新教材将增加一些新开设的科学研究型实验，目的在于充分调动学生的动手能力和创新能力，让学生体会实验自身的研究方法和规律，形成了从易到难、从简单到综合、从注重传授知识到注重创新能力培养、循序渐进、逐级提高的云降水物理实验课程体系的思路。